CN104887176B - 手持式自主视力测量装置及视力测量方法 - Google Patents
手持式自主视力测量装置及视力测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种手持式自主视力测量装置及视力测量方法。它包括角膜曲率测量模块，所述角膜曲率测量模块包括出射第一光束的第一光源、用于采集第一光束经角膜反射后所形成的图像的第一图像采集器、以及用于驱动所述第一图像采集器的电机，所述第一图像采集器由所述电机驱动以沿角膜曲率测量光路移动。采用电机驱动第一图像采集器自动对焦，无需借助第二人调焦对焦，受检者自己可完成视力测量，本发明实现受检者单人操作，视力测量方便，可以有效实现验光系统的小型化和便携。
Description
技术领域
本发明涉及一种手持式自主视力测量装置及视力测量方法。
背景技术
目前，传统验光仪器体积较大，不方便携带。而且对使用者的专业知识有一定要求，需要专业验光人员来对被测量者进行视力测量，被测量者不能独立完成视力测量。传统验光仪器工作原理是：被测量者注视仪器内部（或者外部）的固定视标，测量人员操作验光仪的三维操纵杆，通过调节验光仪和人眼的三维距离，使人眼处于验光系统的工作位置，然后进行视力测量，操作过程中被测量者下巴和额头必须紧贴着测量托架。对于不配合的被测量者，或者专业技能不足的测量者，造成实际的测量结果不准，直接影响配眼镜时视力矫正的准确性。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种手持式自主视力测量装置及视力测量方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案为：
一种手持式自主视力测量装置，包括角膜曲率测量模块，所述角膜曲率测量模块包括出射第一光束的第一光源、用于采集第一光束经角膜反射后所形成的图像的第一图像采集器、以及用于驱动所述第一图像采集器的电机，所述第一图像采集器由所述电机驱动以沿角膜曲率测量光路移动。
优选地，所述第一光源包括多个LED投射模组，多个所述LED投射模组等间隔排列呈圆环状。
优选地，该视力测量装置还包括固视模块及第一二向色镜，所述第一二向色镜使可见光全透射、第一光束全反射，测量时使用者透过所述第一二向色镜注视所述固视模块，且所述第一二向色镜设置在所述第一光源的出射光路中。
更优选地，所述固视模块包括第一透镜组及设置于所述第一透镜组和所述第一二向色镜之间的第二透镜组。
更优选地，该视力测量装置还包括屈光度测量模块，所述屈光度测量模块包括出射第二光束的第二光源，所述第一二向色镜使可见光全透射、第一光束及第二光束全反射，所述第一二向色镜设置在所述第一光源和第二光源的出射光路中。
进一步地，所述屈光度测量模块还包括用于采集第二光束经视网膜反射后所形成的图像的第二图像采集器、以及用于驱动所述第二图像采集器的第二电机，所述第二图像采集器由所述第二电机驱动沿屈光度测量光路移动。
进一步地，该视力测量装置还包括使第一光束全反射、第二光束全透射的第二二向色镜，所述第一二向色镜、所述第二二向色镜依次设置在角膜曲率测量光路、屈光度测量光路中，该视力测量装置还包括具有椭圆形反射面的分束器，所述分束器设置在屈光度测量光路中且位于所述第二二向色镜之后。
优选地，所述第一光束的波长为900~1000nm，所述第二光束的波长为790~870nm，所述第一图像采集器和第二图像采集器均为光电探测器。
优选地，该视力测量装置还包括用于存储屈光度和角膜曲率数据的数据存储模块、用于将屈光度和角膜曲率数据传输至云服务器的传输模块。
本发明采用的又一技术方案是：一种视力测量方法，包括如下步骤：
S1角膜曲率测量：第一光束入射到角膜上的入射角度为，角膜的曲率半径为，根据采集到的图像，获得该图像的圆心的像素，将获得的圆心拟合成圆，获得拟合圆的半径，第三透镜组和第四透镜组的总放大倍率为，角膜曲率半径如式（1）,
（1）
式（1）经多项式拟合后如式（2），
（2）
用多个标准模拟眼对视力测量装置进行标定，各所述标准模拟眼的角膜曲率均已知且互不相同，获取、、、的数值；根据采集到的受检者眼角膜反射的图像，获得相应的拟合圆的曲率半径，根据式（2）得出受检者角膜曲率半径；
S2屈光度测量，包括
S201屈光度测量标定：屈光度与成像光路中的各透镜组的关系如式（3）、（4）、（5）：
（3）
（4）
（5）
其中，为第三透镜组到角膜的距离，为人眼在标准位置时的屈光度，、、分别为第三透镜组、第五透镜组、第六透镜组的焦距，、、分别为视网膜上的光斑经过第三透镜组、第五透镜组、第六透镜组成像后的像距，为第三透镜组和第五透镜组的间距，为第五透镜组和第六透镜组的间距；对式（3）、（4）、（5）进行拟合得到四阶多项式，采用多个标准模拟眼对视力测量装置进行标定，各所述标准模拟眼的屈光度均已知且互不相同，获取上述四阶多项式各系数的数值；测量时，测得第六透镜组的像距，进而根据上述四阶多项式获得人眼在标准位置时的屈光度；
S202屈光度补偿：采用一个已知角膜曲率的标准模拟眼对视力测量装置进行标定，移动所述标准模拟眼，并检测当所述标准模拟眼处于不同位置时第一光束的成像位置，获得角膜位置和第一光束成像位置的对应关系；测量受检者角膜曲率，测得第一光束实际成像位置，根据所述角膜位置和第一光束成像位置的对应关系，得出受检者当前的角膜位置，将当前角膜位置到第三透镜组的距离与比较得出位移差值；对屈光度进行补偿，补偿后的屈光度为受检者的实际屈光度，实际屈光度和人眼在标准位置时的屈光度的关系如式（6）所示
（6）。
本发明采用上述技术方案，相比现有技术具有如下优点：本发明角膜曲率测量模块采用电机驱动第一图像采集器自动对焦，无需借助第二人调焦对焦，受检者自己可完成视力测量，本发明的视力测量装置实现受检者单人操作，视力测量方便，可以有效实现验光系统的小型化和便携。
附图说明
图1为本发明的视力测量装置的结构示意图；
图2为本发明的第一光源和第三透镜组的排布示意图；
图3为本发明的环形光阑的示意图；
图4a、4b分别为本发明的分束器的正面视图和沿屈光度测量光路的投影示意图；
图5为本发明的屈光度与其成像光路中的各透镜组的关系示意图。
其中，1、第一透镜组；2、第二透镜组；3、第一二向色镜；4、第一光源；5、第三透镜组；6、第二二向色镜；7、第四透镜组；8、第一图像采集器；9第二光源；10、光阑；11、第七透镜组；12、分束器；13、第五透镜组；14、第六透镜组；15、第二图像采集器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。
图1所示为本发明的一种手持式自主视力测量装置。结合图1所示，视力测量装置包括第一透镜组1、第二透镜组2、第一二向色镜3、第一光源4、第三透镜组5、第二二向色镜6、第四透镜组7、第一图像采集器8、第一电机（图中未示出）、第二光源9、光阑10、第七透镜组11、分束器12、第五透镜组13、第六透镜组14、第二图像采集器5、第二电机（图中未示出）。
第一透镜组1、第二透镜组2构成固视模块用于供人眼注视，固视模块采用望远系统，控制人眼的观察方向和观察位置，使固视模块的出瞳和人眼瞳孔相一致。第一光源4、第一二向色镜3、第三透镜组5、第二二向色镜6、第四透镜组7、第一图像采集器8及第一电机构成角膜曲率测量模块，用于测量角膜曲率。第二光源9、光阑10、第七透镜组11、分束器12、第二二向色镜6、第三透镜组5、第一二向色镜3、第五透镜组13、第六透镜组14、第二图像采集器5及第二电机构成屈光度测量模块，用于测量视网膜的屈光度。
角膜曲率测量模块和屈光度测量模块的光源出射光路如下：
第一光源4出射波长为900~1000nm的红外波段的第一光束。结合图2所示，第一光源4包括八个LED投射模组，八个LED投射模组等间隔绕第三透镜组5的中心轴排列呈环状。每个LED投射模组包括LED灯、扩散片、透光孔及第一光源4透镜组构成。所出射的第一光束为一束环形的红外光。第一二向色镜3使可见光全透过、第一光束全反射。第一二向色镜3设置在第一光源4的出射光路中用于将第一光束反射至人眼角膜上，且第二透镜组2设置在第一透镜组1和第一二向色镜3之间，人眼透过第一二向色镜3注视第二透镜组2和第一透镜组1，保持人眼处于放松状态。
第二光源9出射波长为790~870nm的近红外波段的第二光束。光阑10、第七透镜组11、分束器12、第二二向色镜6、第三透镜组5、第一二向色镜3依次设置在第二光源9的出射光路中。结合图3所示，光阑10为环形光阑10，经过环形光阑10后的第二光束为一束环形的近红外光。第二二向色镜6使第二光束（波长为790~870nm的近红外光）全透过、第一光束（波长为900~1000nm的红外光）全反射。第一二向色镜3使近红外光（波长为790~870nm的近红外光）和红外光（波长为900~1000nm的红外光）全反射、使可见光（波长为400~700nm波段的光）全透射。第二光束依次自分束器12、第七透镜组11、第二二向色镜6透射，经第三透镜组5汇聚后再经第一二向色镜3反射至视网膜处。
角膜曲率测量模块和屈光度测量模块的图像采集过程如下：
第一二向色镜3、第三透镜组5、第二二向色镜6、第四透镜组7、第一图像采集器8依次设置在第一光束的成像光路中。经角膜反射的第一光束再经第一二向色镜3反射以改变传播方向，经第三透镜组5汇聚后经由第二二向色镜6反射以再次改变传播方向，然后经第四透镜组7汇聚成像，第一电机驱动第一图像采集器8移动以自动对焦，使第一图像采集器8移动到成像位置处进行图像采集。
第一二向色镜3、第三透镜组5、第二二向色镜6、分束器12、第五透镜组13、第六透镜组14、第二图像采集器5依次设置在第二光束的成像光路中。结合图4a、4b所示，分束器12包括形成于分束器12中部的反射面，反射面呈椭圆形，且反射面沿第二光束的成像光路的正投影为圆形。经视网膜反射的第二光束再经第一二向色镜3反射以改变传播方向，经第三透镜组5汇聚、第二二向色镜6透射后再经分束器12的反射面反射以改变传播方向，然后经第五透镜组13汇聚、第六透镜组14成像，第二电机驱动第二图像采集器5移动以自动对焦，使第二图像采集器5移动到成像位置出进行图像采集。
本发明的视力测量装置还包括数据存储模块和无线传输模块。数据存储模块用于存储屈光度和角膜曲率数据。无线传输模块用于将屈光度和角膜曲率数据传输到云服务器中，进行长期存数以方便后续查看和医生分析。
本实施例中第一图像采集器8及第二图像采集器5均为光电探测器。
本发明的视力测量方法包括S1角膜曲率测量和S2屈光度测量。
S1角膜曲率测量包括如下步骤：第一光束入射到角膜上的入射角度为，角膜的曲率半径为，根据第一图像采集器8采集到的环形图像，获得该环形的圆心的像素，对获得的圆心拟合成圆，获得拟合圆的半径，第三透镜组5和第四透镜组7的总放大倍率为，角膜曲率半径如式（1）,
（1）
式（1）经多项式拟合后如式（2），
（2）
用多个（如十个）具有不同的曲率半径且曲率半径已知的标准模拟眼对上述视力测量装置进行标定，获取、、、的数值；测量时，根据第一图像采集器8采集到的受检者眼角膜反射的环形图像，获得相应的拟合圆的曲率半径，根据式（2）得出受检者角膜曲率半径。
S2屈光度测量包括如下步骤：S201屈光度测量标定、S202屈光度补偿。
S201屈光度测量标定：结合图5所示，屈光度与成像光路中的各透镜组的关系如式（3）、（4）、（5）：
（3）
（4）
（5）
其中，为第三透镜组5到角膜的距离，为人眼在标准位置时的屈光度（标准位置即测量的基准位置），、、分别为第三透镜组5、第五透镜组13、第六透镜组14的焦距，、、分别为视网膜上的光圈经过第三透镜组5、第五透镜组13、第六透镜组14成像后的像距，为第三透镜组5和第五透镜组13的间距，为第五透镜组13和第六透镜组14的间距；
对式（3）、（4）、（5）进行拟合得到四阶多项式，采用多个标准模拟眼对上述上述视力测量装置进行标定，各标准模拟眼的屈光度均为已知且互不相同，且标准模拟眼的屈光度范围为-20D~20D，获取上述四阶多项式各系数的数值；
测量时，取丝杠上的一点作为检测点，当第二电机通过丝杠等驱动第二图像采集器5移动到第二光束的成像位置（在此位置采集的图像像质最清晰）时，记录检测点的位置（或电机输出轴转动的角度、第二图像采集器5移动的距离），从而得出第六透镜组14的像距，根据上述四阶多项式获得人眼在标准位置时的屈光度；
S202屈光度补偿：测量时人眼位置出现前后偏差，则成像位置都发生改变，本发明采用采用一个已知角膜曲率的标准模拟眼对视力测量装置进行标定，移动所述标准模拟眼，并检测当所述标准模拟眼处于不同位置时第一光束的成像位置，获得角膜位置和第一光束成像位置的对应关系；测量受检者角膜曲率，测得第一光束实际成像位置，根据所述角膜位置和第一光束成像位置的对应关系，得出受检者当前的角膜位置，将当前角膜位置到第三透镜组的距离与比较得出位移差值；对屈光度进行补偿，补偿后的屈光度为受检者的实际屈光度，实际屈光度和人眼在标准位置时的屈光度的关系如式（6）所示
（6）。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优势：
1、本发明角膜曲率测量模块、屈光度测量模块分别采用第一电机、第二电机分别驱动第一图像采集器8、第二图像采集器5自动对焦，无需借助第二人调焦对焦，受检者自己可完成视力测量，本发明的视力测量装置实现受检者单人操作，视力测量方便，可以有效实现验光系统的小型化和便携化。
2、本发明采用第一二向色镜3，可见波段（400~700nm）全部透过，红外波段（780~1000nm）全部反射，和传统验光系统相比，可以有效的防止第一光源4对人眼的刺激，消除人眼调节对屈光度测量的影响，同时固视模块可见光部分的高透过率又能使人眼处于放松状态以便于正确观察。
3、本发明固视模块采用由第一透镜组1和第二透镜组2构成的望远系统，固视模块的出瞳大小和人眼瞳孔匹配，视场角度只有几度，和现有验光仪器固视系统相比，可以有效的使人眼在正确的观察位置并使人眼处于放松状态，正确的角度观察物体。
4、本发明包括无线传输模块，该模块能将测试装置最终的视力数据上传到云服务器，传统视力测量系统通常是离散、无规律的对被测者进行视力测量，本发明能有效的采集受检者不同时间的视力数据，方便以后对被测试者视力进行大数据建模和分析视力的未来发展趋势，对受检者进行视力跟踪预测。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种手持式自主视力测量装置，包括角膜曲率测量模块、屈光度测量模块及固视模块，其特征在于：
所述角膜曲率测量模块包括出射第一光束的第一光源、用于采集第一光束经角膜反射后所形成的图像的第一图像采集器、以及用于驱动所述第一图像采集器沿角膜曲率测量光路移动以使第一图像采集器移动到成像位置处进行图像采集的第一电机；
所述屈光度测量模块包括出射第二光束的第二光源、用于采集第二光束经视网膜反射后所形成的图像的第二图像采集器、以及用于驱动所述第二图像采集器沿屈光度测量光路移动到成像位置处进行图像采集的第二电机；
所述角膜曲率测量模块、屈光度测量模块共用一第一二向色镜以及一第二二向色镜；所述第一二向色镜使可见光全透射、第一光束及第二光束全反射，所述第一二向色镜设置在所述第一光源和第二光源的出射光路中；所述第二二向色镜使第一光束全反射、第二光束全透射，所述第二二向色镜、第一二向色镜依次设置在所述第二光源的出射光路中；
所述固视模块由第一透镜组及第二透镜组构成，所述第二透镜组设置在所述第一透镜组和所述第一二向色镜之间，测量时使用者透过所述第一二向色镜注视所述固视模块。
2.根据权利要求1所述的手持式视力测量装置，其特征在于：所述第一光源包括多个LED投射模组，多个所述LED投射模组等间隔排列呈圆环状。
3.根据权利要求1所述的手持式视力测量装置，其特征在于：所述第一光束的波长为900～1000nm，所述第二光束的波长为790～870nm，所述第一图像采集器和第二图像采集器均为光电探测器。
4.根据权利要求1所述的手持式视力测量装置，其特征在于：该视力测量装置还包括用于存储屈光度和角膜曲率数据的数据存储模块、用于将屈光度和角膜曲率数据传输至云服务器的传输模块。
5.根据权利要求1-4任一项所述的手持式视力测量装置，其特征在于：该视力测量装置还包括第三透镜组、第四透镜组、光阑、第七透镜组、具有椭圆形反射面的分束器、第五透镜组及第六透镜组；
所述第一光源、第一二向色镜、第三透镜组、第二二向色镜、第四透镜组、第一图像采集器及第一电机构成所述角膜曲率测量模块，所述第二透镜组设置在所述第一透镜组和所述第一二向色镜之间，所述第一二向色镜、第三透镜组、第二二向色镜、第四透镜组、第一图像采集器依次设置在第一光束的成像光路中；
所述第二光源、光阑、第七透镜组、分束器、第二二向色镜、第三透镜组、第一二向色镜、第五透镜组、第六透镜组、第二图像采集器及第二电机构成所述屈光度测量模块，所述光阑、第七透镜组、分束器、第二二向色镜、第三透镜组、第一二向色镜依次设置在第二光源的出射光路中，所述第一二向色镜、第三透镜组、第二二向色镜、分束器、第五透镜组、第六透镜组、第二图像采集器依次设置在所述第二光束的成像光路中。
6.一种如权利要求5所述的手持式视力测量装置的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1角膜曲率标定：用多个标准模拟眼对视力测量装置进行标定，各所述标准模拟眼的角膜曲率均已知且互不相同，第一光束入射到标准模拟眼角膜上的入射角度为θ，标准模拟眼角膜的曲率半径为R1，根据采集到的图像，获得该图像的圆心的像素，将获得的圆心拟合成圆，获得拟合圆的半径R2，第三透镜组和第四透镜组的总放大倍率为β1，标准模拟眼角膜曲率半径如式(1),
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式(1)经多项式拟合后如式(2)，
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获取a0、a1、a2、a3的数值；
S2屈光度标定，包括
S201屈光度测量标定：采用多个标准模拟眼对视力测量装置进行标定，各所述标准模拟眼的屈光度均已知且互不相同，标准模拟眼的屈光度与成像光路中的各透镜组的关系如式(3)、(4)、(5)：
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其中，L0为第三透镜组到标准模拟眼角膜的距离，D0为标准模拟眼在标准位置时的屈光度，f′3、f′5、f′6分别为第三透镜组、第五透镜组、第六透镜组的焦距，l′3、l′5、l′6分别为视网膜上的光斑经过第三透镜组、第五透镜组、第六透镜组成像后的像距，Δl35为第三透镜组和第五透镜组的间距，Δl56为第五透镜组和第六透镜组的间距；对式(3)、(4)、(5)进行拟合得到四阶多项式，获取上述四阶多项式各系数的数值；
S202屈光度补偿标定：采用一个已知角膜曲率的标准模拟眼对所述视力测量装置进行标定，移动所述标准模拟眼，并检测当所述标准模拟眼处于不同位置时第一光束的成像位置，获得标准模拟眼角膜位置和第一光束成像位置的对应关系。
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